O esquema do circuito de polarização e pulso de calor usado para medir a umidade do solo é apresentado na Figura 22. O sensor está indicado com linhas tracejadas na Figura 22 e é constituído basicamente por um transistor NPN 2N2222 de encapsulamento metálico montado dentro de bloco cerâmico poroso.
Figura 22 - Diagrama básico do circuito do sensor e do pulso de calor
Observa-se que a base do transitor sensor é mantida com uma tensão fixa de 1,25 V, proveniente da referência de tensão REF3312 da Texas Instruments (VREF1) que é estável
com temperatura, apresentando um variação máxima de apenas 30 ppm/°C, e tem uma exati- dão de 0,15% .
O emissor do transistor sensor é conectado a uma fonte de corrente, que tem seu valor chaveado entre dois valores, 100 µA e 10 mA, pela ação de uma chave de dois pólos SW1 que seleciona os resistores.
Conforme explicado em 4.2.1.1, o transistor sensor é polarizado com tensão e baixa corrente por um periodo de tempo pequeno para possibilitar medir a temperatura do solo sem o efeito térmico do transistor. Após isto, é aplicado um pulso de calor no transistor sensor, aumentando a potência dissipada. Para isso foram utilizadas a chave SW2, que tem a função de comutar a tensão do coletor do transistor sensor entre VREF1 e +8 V, e a chave SW1, que tem a função de comutar a corrente de emissor do transistor sensor entre 100 µA e 10 mA, sendo ambas as chaves ADG812 da Analog Device.
O princípio de operação é o seguinte: para começar uma medida, a tensão VREF1 é conectada ao coletor e é aplicada uma corrente de emissor de 100 µA no transistor sensor, desta forma a tensão VBC será nula e haverá apenas o efeito térmico causado pela potência dissipada na junção base-emissor que é muito pequena e aproximadamente 60 µW para um VBE de 600 mV (P ≈ ICVBE), assim não afetando a temperatura do sensor quando encapsulado com cerâmica porosa.
Depois, durante o pulso de calor, de 10 segundos, necessário para realizar a medida de umidade, estas chaves SW1 e SW2 são comutadas para fornecer +8 V de tensão no coletor e 10 mA de corrente no emissor do transistor sensor, gerando um pulso de calor com aproxima- damente E = 0,8 J (80 mW durante 10 s). Vale lembrar que a lógica de acionamento e comu- tação das chaves SW1 e SW2 são realizados pelo microcontrolador.
A fonte de corrente (100 µA / 10mA) foi construída com uma referência de tensão VREF2 (REF3312), um amplificador operacional A1 (LTC6003), um transistor NMOS M1 (2N2222) e resistores R1e R2. Foi escolhido o amplificador operacional LTC6003 da Linear Technology por ter uma corrente de alimentação ultrabaixa, ser rail-to-rail, ter baixo offset e baixo bias de corrente de entrada. O princípio de funcionamento é o seguinte: o transistor M1 está dentro do circuito de realimentação negativa, e o amplificador operacional A1 força a tensão da fonte ser igual a tensão de referência (VS = VREF2 = -3,75 V). Portanto, a corrente de dreno no transistor M1, que é igual à corrente de emissor de transistor sensor, é dada por:
Equação 17
Como o ganho de corrente de base comum αF está muito próximo de um (αF ≈ 0,995)
para o transistor 2N2222 usado no sensor, foi considerado que IC = IE para estimar a potência dissipada pelo transistor sensor. É importante notar que esta aproximação não tem influência nos cálculos de temperatura que são realizados no sensor, porque a temperatura depende ape- nas de VBE.
Para medir o VBE do transistor do sensor, dois amplficiadores de ganho unitário (A3 e A4), operando como buffer, foram implementados com um LT6004. Estes buffers foram co- nectados aos terminais emissor e base do sensor e suas saídas foram enviadas para um conver- sor analógico-digital diferencial disponível no microprocontrolador MSP430F6736 da Texas Instruments, que opera com uma corrente de alimentação de apenas 1,25 µA no modo de bai- xa potência, com o relógio de tempo real (RTC) funcionando. Embora o conversor analógico- digital do MSP430F6736 tenha 24 bits, foi usado apenas 16 bits (15 bits mais um bit de sinal), o que é suficiente para medir VBE com resolução de ≈ 46 µV, usando a referência interna de 1,5 V. Nesta fase inicial de medição, o valor medido de VBE é usado para calcular a tempera- tura do solo antes do pulso de calor ser aplicado, uma vez que uma curva de calibração (des- vio do valor medido em função da temperatura do solo) deve ser obtida experimentalmente, antes de usar o sensor no solo [32][42].
No protótipo construído, os valores medidos de VBE foram armazenados em um cartão SDCard, para possibilitar analisar os dados e traçar as curvas do VBE em função do tempo, e assim verificar se o sensor está funcionando corretamente . O conversor analógico-digital está programado para fazer dez medições por segundo. Em seguida, para cada segundo, o mi- crocontrolador calcula a média dos cinco primeiros pontos (Mi) e a média dos últimos cinco pontos (Mf). Finalmente, a média (Mi + Mf)/2 é calculada e gravada no SDCard.
Exceto pelo período em que o pulso de calor está sendo aplicado, o consumo de cor- rente do circuito de condicionamento é muito baixo (aproximadamente 2,5 µA) porque, exce- to pelo regulador de tensão ADP160 (Figura 21) e o microcontrolador, o restante do circuito está no modo "desligado". Como a corrente durante o pulso de calor é 10 mA durante 10 s, o consumo médio de corrente do circuito completo é de apenas 3,7 µA, e mesmo se o sistema de energy harvesting não funcionar, um supercapacitor de 2 F pode manter os circuitos fun- cionando por mais de 11 dias. Vale ressaltar que o regulador ADP160 funciona com até 1,8 V mas foi considerada uma tensão mínima de operação de 3,2 V, ou seja, este tempo de 11 dias é necessario para descarregar um capacitor de 2 F de 5 V para 3,2 V com uma corrente de consumo de 3,7 µA.